BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Stirena Stirena berasal dari nama pohon styrax yang menghasilkan getah (resin kapur barus) yang diekstrak dalam bentuk stirena. Kandungan stirena yang rendah terdapat secara alamiah pada tumbuh – tumbuhan dan beragam jenis makanan antara lain buah – buahan, sayuran, kacang – kacangan, minuman, dan daging. Produksi stirena berkembang secara pesat terutama di Amerika Serikat dari tahun 1940 – an sejak diperkenalkannya stirena sebagai bahan baku utama untuk produksi karet sintetis. Adanya kandungan grup vinil memungkinkan stirena untuk berpolimerisasi. Produk – produk komersial dari stirena antara lain polistirena, Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS), resin Styrene – Acrylonitrile (SAN), lateks Styrene – Butadiene, Styrene – Butadiene Rubber (SBR), SIS (Styrene – Isoprene – Stirena), S–EB–S (Styrene – Ethylene / Butylene – Styrene), S–DVB (Styrene – Divinylbenzene) dan resin poliester tidak jenuh. Material – material ini digunakan secara komersil dalam produksi karet, plastik, insulasi, fibreglass, pipa, peralatan kapal dan otomotif, tempat / wadah makanan, dan lain – lain (Wikipedia, 2010). Pembuatan senyawa stirena dilakukan melalui proses dehidrogenasi etilbenzen. Reaktor yang digunakan adalah reaktor multi bed dengan suhu operasi 600°C dan tekanan 1 bar (Chaniago, 2009). Reaksinya dehidrogenasi stirena : Fe2O3 C6H5CH2CH3
C6H5CHCH2 + H2
etilbenzen
stirena
hidrogen
Reaksi samping : C6H5CH2CH3
C6H6
etilbenzen
benzen
C6H5CH2CH3 + H2 etilbenzen 2 H2O + air
hidrogen
+ C2H4 etilen C6H5CH3
+ CH4
toluene
metana
C2H4
2 CO
+
etilen
karbon monoksida
4 H2 hidrogen
Universitas Sumatera Utara
H2O
+
air H2O air
CH4 metana
+
CO
karbon monoksida
CO
+
3 H2
karbon monoksida
hidrogen
CO2
H2
+
karbon dioksida
hidrogen
(Said,dkk. , 1993) Pemurnian stirena harus dilakukan melalui proses destilasi fraksionasi dalam kolom destilasi. Hal ini dikarenakan stirena dan etilbenzen memiliki titik didih yang hampir berdekatan yaitu 145°C untuk stirena dan 136°C untuk etilbenzen. (Wikipedia, 2010).
2.2 Kegunaan Stirena Stirena secara luas digunakan untuk polimerisasi menghasilkan beragam polimer antara lain polistirena yang dikenal juga dengan nama Expanded Polystyrene Foam (EPS), Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS), resin Styrene – Acrylonitrile (SAN), lateks Styrene – Butadiene, Styrene – Butadiene Rubber (SBR), SIS (Styrene – Isoprene – Stirena), S–EB–S (Styrene – Ethylene / Butylene – Styrene), S–DVB (Styrene – Divinylbenzene) dan resin poliester tidak jenuh. Polimer dari bahan stirena bahan digunakan sebagai bahan dasar pembuatan karet, plastik, insulasi, fibreglass, pipa, peralatan kapal dan otomotif, tempat / wadah makanan, pelapis kertas, matras busa, dan lain – lain. Akan tetapi, penggunaan polimer dari stirena pada industri makanan mulai berkurang seiring dengan penemuan dari Departemen Kesehatan Amerika Serikat yang mengindikasikan bahwa stirena mempunyai efek karsinogenik terhadap tubuh manusia dan dalam jumlah banyak beracun terhadap saluran pencernaan, ginjal, dan saluran pernafasan manusia (Wikipedia, 2010). Adapun beberapa kegunaan polimer dari stirena dalam industri adalah sebagai berikut : Tabel 2.1 Kegunaan polimer stirena dalam berbagai industri Polimer 1. Polystirena
Kegunaan - Bahan pembuatan foam - Bahan packaging pada industri makanan - Bahan pengerat pada kertas - Bahan pembuatan piringan CD
Universitas Sumatera Utara
2. Acrylonitrile Butadiene Stirena
- Bahan pembuatan pipa
(ABS)
- Bahan pembuatan komponen elektronik - Bahan pembuatan komponen otomotif
3. Stirena – Acrylonitrile (SAN)
- Bahan pembuatan keperluan rumah tangga - Bahan packaging kosmetik - Bahan pembuatan komponen otomotif
4. Lateks Stirena – Butadiene
- Bahan pembuatan carpet backing - Bahan pembuatan paper coating - Bahan pembuatan foam matress - Bahan adhesif (pengerat)
5. Stirena – Butadiene Rubber
- Bahan pembuatan ban
(SBR)
- Bahan pembuatan selang - Bahan pembuatan sepatu - Bahan adhesif (pengerat)
6. Resin poliester tidak jenuh
- Bahan pembuatan plastik fibreglass - Bahan pembuatan alat – alat perkapalan - Bahan pembuatan alat – alat konstruksi - Bahan pembuatan komponen otomotif
2.3
Sifat – Sifat Bahan Baku, Bahan Pembantu dan Produk
2.3.1 Sifat-Sifat Bahan Baku (Etilbenzen) Etilbenzen merupakan sumber utama bagi produksi stirena secara komersil. Hampir semua pabrik penghasil stirena di dunia menggunakan etilbenzen sebagai bahan bakunya. Proses pembuatan stirena dari etilbenzen dalam skala besar dilakukan melalui proses dehidrogenasi etilbenzen dengan menggunakan katalis Shell – 105 (campuran
Universitas Sumatera Utara
Fe2O3, Cr2O3, dan K2CO3) dalam kondisi isothermal di dalam reaktor multi bed (Ullman, 2005). Fe2O3 C6H5CH2CH3
C6H5CHCH2 + H2
etilbenzen
stirena
hidrogen
Sifat – sifat fisika etilbenzen (Perry, 1999) : 1. Berat molekul
: 106,167 gr/gmol
2. Densitas pada 25 °C
: 0,8671 gr/ml
3. Titik didih pada 1 atm
: 136,19 °C
4. Titik beku pada 1 atm
: -94,975 °C
5. Spesifik graviti
: 1,00 (4°C)
6. Indeks bias pada 20°C
: 1,4959
7. Viskositas pada 25 °C
: 0,64 cP
8. Panas pembentukan pada 25 °C : -12,456 J/mol. K 9. Panas penguapan pada 25 °C
: 42,226 J/mol. K
10. Entropi pembentukan
: 255,2 J/mol. K
11. Temperatur kritis
: 343,05 °C
12. Tekanan kritis
: 3,701 MPa
13. Volume kritis
: 374 ml/mol
Sifat – sifat kimia etilbenzen: 1. Reaksi dehidrogenasi dengan katalis Fe2O3 pada suhu tinggi menghasilkan stirena.
Fe2O3
C6H5CH2CH3
C6H5CHCH2 + H2
etilbenzen
stirena
hidrogen
2. Reaksi hidrogenasi dengan bantuan katalis Ni, Pt, atau Pd menghasilkan etil – sikloheksan.
Ni
C6H5CH2CH3 + 3H2 etilbenzen
hidrogen
C6H11C2H5 etil – sikloheksan
3. Reaksi oksidasi dengan bantuan katalis KMnO4 dan K2Cr2O7 membentuk asam benzoat.
Universitas Sumatera Utara
KMnO4 / K2Cr2O7 C6H5CH2CH3 + On etilbenzen
C6H5COOH
oksigen
+ CO2
asam benzoat karbon dioksida
4. Mengalami proses halogenasi dengan bantuan panas atau cahaya. 2 C6H5CH2CH3 + Cl2 etilbenzen
C6H5CH-ClCH3
klorin
+ C6H5CH2Cl
2-kloro-2-feniletana 1-kloro-feniletana
2.3.2 Sifat-Sifat Bahan Pembantu (Katalis Shell – 105) Katalis Shell – 105 adalah katalis yang berwujud padat dan berbentuk pelet. Katalis Shell – 105 merupakan campuran Fe2O3, Cr2O3, dan K2CO3 dengan komposisi 84,3 % Fe2O3, 2,4 % Cr2O3, dan 13,3 % K2CO3.
Sifat – sifat katalis Shell – 105 : 1. Wujud
: padat
2. Bentuk
: pelet
3. Komposisi
: 84,3 % Fe2O3, 2,4 % Cr2O3, 13,3 % K2CO3
4. Bulk Density
: 2146,27 kg/cm3
5. Diameter
: 4,7 mm
6. Porositas
: 0,35
2.3.3 Sifat-Sifat Produk (Stirena) Stirena adalah senyawa organik aromatis yang mempunyai rumus kimia C6H5CH=CH2 dan mempunyai massa molar 104,15 gram/mol. Stirena merupakan hidrokarbon siklik berbentuk cair, tidak berwarna, beraroma dan dapat menguap dengan cepat. Stirena monomer dipolimerisasi untuk menghasilkan beberapa polimer antara lain polystirena, Acrylonitrile Butadiene Stirena (ABS), resin Stirena – Acrylonitrile (SAN), lateks Stirena – Butadiene, Stirena – Butadiene Rubber (SBR), SIS (Stirena – Isoprene – Stirena), S–EB–S (Stirena – Ethylene / Butylene – Stirena), S–DVB (Stirena – Divinylbenzene) dan resin poliester tidak jenuh. Sifat-sifat fisika stirena : 1. Berat molekul
: 104,15 gr/mol
2. Titik didih
: 145 °C
3. Titik beku
: –30,6 °C
Universitas Sumatera Utara
4. Densitas pada 20 °C
: 0,9059 gram/ml
5. Indeks bias
: 1,5467
6. Temperatur kritis
: 369 °C
7. Tekanan kritis
: 3,81 MPa
8. Viskositas pada 20 °C
: 0,763 cP
9. Tekanan uap pada 20 °C : 5 mmHg (Perry, 1999)
Sifat-sifat kimia stirena : 1. Entalpi pembentukan standar pada ΔHf o298 : –12,456 kJ/mol 2. Panas penguapan pada 25 °C : 428,44 J/gr. K 3. Reaksi pembentukan stirena : Fe2O3 C6H5CH2CH3 etilbenzen
C6H5CHCH2 + H2 stirena
hidrogen
4. Reaksi polimerisasi membentuk polystirena terjadi sangat cepat. n C6H5CHCH2 stirena
(C6H5CHCH2)n polystirena
(Wikipedia, 2010)
2.4 Proses Pembuatan Stirena Secara umum terdapat dua proses pembuatan stirena yaitu : 1. Dehidrogenasi Katalitik Dehidrogenasi katalitik adalah reaksi langsung dari etilbenzen menjadi stirena, cara ini adalah proses pembuatan stirena monomer yang banyak dikembangkan dalam produksi komersial. Reaksi terjadi pada fase uap dimana steam melewati katalis padat. Katalis yang digunakan adalah Shell – 105, yang terdiri dari campuran besi sebagai Fe2O3, kromium sebagai Cr2O3 dan potasium sebagai K2CO3. Reaksi bersifat endotermis dan merupakan reaksi kesetimbangan. Sedangkan reaktornya dapat bekerja secara adiabatis dan isothermal.
Universitas Sumatera Utara
Reaksi yang terjadi : C6H5CH2CH3
→
C6H5CH = CH2 + H2
Yield rendah jika reaksi ini tanpa menggunakan katalis. Temperatur reaktor 580 – 620°C pada tekanan atmosfer. Pada saat kesetimbangan konversi etilbenzen berkisar antara 50 – 70% dengan yield
88 – 89 %
(Ullman, 2005).
2. Oksidasi Etilbenzen Proses ini ada 2 macam yaitu dari Union Carbide dan Halogen International. Proses dari Union Carbide mempunyai 2 produk yaitu stirena dan acetophenon. Proses ini menggunakan katalis asetat diikuti dengan reaksi reduksi menggunakan katalis kromium – besi – tembaga kemudian dilanjutkan reaksi hidrasi alkohol menjadi stirena dengan katalis Titania pada suhu 250°C. Reaksi yang terjadi berturut – turut adalah sebagai berikut : C6H5CH2CH3 + O2
→ C6H5COCH3 + H2O
C6H5COCH3 + H2O → C6H5CH (OH )CH3 C6H5CH(OH)CH3
→ C6H5CH = CH2 + H2O
Kehilangan proses ini adalah terjadinya korosi pada tahap oksidasi dan produk yang dihasilkan 10% lebih kecil dibandingkan reaksi dehidrogenasi. Proses
Halogen
International
menghasilkan
stirena
dan
Propyleneoxide, yaitu proses mengoksidasi etilbenzen menjadi Ethylbenzene Hidroperoxide
kemudian
direaksikan
dengan
propylene
membentuk
propyleneoxide dan α-phenil-ethylalkohol kemudian didehidrasi menjadi stirena.
2.5 Deskripsi Proses Dari beberapa uraian proses pembuatan stirena tersebut diatas, maka akan dirancang pabrik stirena monomer
melalui proses dehidrogenasi katalitik
menggunakan katalis Shell – 105 dengan alasan sebagai berikut : 1. Proses dehidrogenasi adalah proses yang paling sederhana. 2. Proses dehidrogenasi katalitik yang paling banyak dipakai secara komersial.
Universitas Sumatera Utara
3. Tidak menimbulkan korosi. 4. Hasil samping berupa toluen dan benzen bisa dijual sehingga dapat menambah keuntungan.
Deskripsi proses dalam proses pembuatan stirena yaitu sebagai berikut : Bahan baku etilbenzen dipompakan ke dalam mixer (M – 01) dan bercampur dengan etilbenzen recycle dari kolom destilasi. Kemudian etilbenzen dipompakan ke dalam unit vaporizer (V – 01) bertekanan 1 atm. Suhu keluaran dari vaporizer adalah 424,1 K. Dari vaporizer, bahan baku diumpankan ke dalam furnace (F – 01) untuk mengubah uap jenuh etilbenzen menjadi gas etibenzen pada suhu 873 K. Steam bertekanan rendah yang dihasilkan dalam boiler juga diumpankan ke dalam furnace dan keluar dari furnace pada suhu 993 K dan tekanan 1,5 atm. Setelah itu, umpan etilbenzen dialirkan ke dalam reaktor (R – 01) dan dicampurkan dengan steam. Steam pada proses ini berfungsi untuk mencegah terjadinya kerak pada reaktor dan menggeser kesetimbangan reaksi ke arah produk. Reaktor yang digunakan adalah reaktor dengan dua buah bed dimana katalis Shell – 105 berbentuk pelet tersusun pada bagian bed reaktor. Proses dehidrogenasi dari etilbenzen berlangsung pada temperatur 873 K dan tekanan 1 atm.
Reaksi yang terjadi di dalam reaktor (R – 01) adalah sebagai berikut : C6H5CH2CH3
C6H5CHCH2 + H2
etilbenzen
stirena
hidrogen
Reaksi samping : C6H5CH2CH3
C6H6
etilbenzen
benzen
C6H5CH2CH3 + H2 etilbenzen 2 H2O + air H2O air
+
hidrogen
+ C2H4 etilen C6H5CH3
+ CH4
toluen
metana
C2H4
2 CO
etilen
karbon monoksida
hidrogen
CH4
CO
3 H2
metana
+
+
karbon monoksida
4 H2
hidrogen
Universitas Sumatera Utara
H2O air
+
CO
karbon monoksida
CO2
+
karbon dioksida
H2 hidrogen
Keluaran dari reaktor akan menghasilkan produk utama stirena, produk samping berupa benzen, toluen, karbon dioksida, dan hidrogen serta etilbenzen sisa reaksi dan air dalam fasa gas pada suhu 780,8 K dan tekanan 1 atm. Campuran ini kemudian dilewatkan ke WHB dan vaporizer hingga suhu produk menjadi 489,5 K. Setelah itu, produk dialirkan ke cooler IV (CL – 04) untuk mengurangi beban panas drum separator. Drum separator (DS – 01) digunakan untuk memisahkan campuran dari gas hidrogen dan karbon dioksida. Keluaran drum separator menyisakan produk stirena, benzen, etilbenzen sisa reaksi, toluen, dan air pada suhu 373,8 K. Setelah dari drum separator, produk diumpankan ke dalam dekanter (DK – 01) untuk mengeluarkan semua air dari campuran. Kemudian campuran benzen, toluen, stirena dan etilbenzen ini didestilasi melalui 3 tahapan destilasi. Pada kolom destilasi 1 (D – 01), akan didapatkan stirena dengan kemurnian 99,81 % pada produk bawah kolom destilasi. Etilbenzen yang didapatkan pada produk bawah kolom destilasi 2 (D – 02) kemudian diumpankan kembali ke dalam mixer. Sedangkan, pada kolom destilasi 3 (D – 03) akan didapatkan benzen pada produk atas kolom dan toluen pada produk bawah kolom.
Universitas Sumatera Utara
Recycle Feed
Gas Inert (H2 & CO2) Tangki
Mixer
Reaktor
Penampung
Drum
Dekanter
Separator
Kolom
Kolom
Destilasi I
Destilasi II
Air (H2O) Vaporizer
Furnace
Produk Stirena
Benzen
Kolom Destilasi III
Toluen Gambar 2.1 Diagram Alir Proses
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
FLOWSHEET PRA RANCANGAN PABRIK STIRENA DARI ETILBENZEN MELALUI PROSES DEHIDROGENASI KATALITIK MENGGUNAKAN KATALIS SHELL – 105 DENGAN KAPASITAS 100.000 TON/TAHUN
Air Pendingin
FG
13
C-02
C-01
F-01
C-03
3 4 TC
13
AC-01
CC
LC
AC-02
LC CC
V-01
AC-03
CC
LC
5
U FUEL TC
P-04
P-08
P-06
R-01
D-01
D-02 D-02
12
14
16
D-03
CL-03
Steam 6 2
TC
WHB
M - 01 1 LC
TC
RE - 01
T - 01
FC
H
7 FC
CL-01
T-02
RE - 02
LC
RE-03
CL-02
TC
P-02
15
15
LC
P
CL-04 P-01
LC
11
10 LC
T-03
T-04
LC
LC
C
DS-01
P-05
6
P-07
P-09
KONDENSAT PC
AIR PENDINGIN BEKAS LC
DK-01
8
P-03
9
Air Umpan Boiler KOMPONEN
1 13.934,927
Benzen
35,012
35,012
Toluen
35,012
35,012
35,012
0
0
564,974
0
564,974
47,435
Stirena
0
0
309,523
0
0
12.944,133
0
12.944,133
29,775
H 2O
0
0
0
59734,580
0
92.889,330 92.889,330
0
0
0
0
0
0
H2
0
0
0
0
0
323,794
323,794
0
0
0
0
0
0
0
0
0
CO2
0
0
0
0
0
595,266
595,266
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Total
Etilbenzen
2
3 0
4 0
5 5.911,770
6 0
19813,394 35,012
5.911,770
0
0
339,788
0
339,788
33.641,784 92.889,330
7
Laju Alir (kg/jam) 8
1 13.934,927
9
10
11
12
7,717
5.904,054
22,548
5.879,937
66,608
273,181
0
274,063
517,539
0
12.914,358 12.603,715
13
14
15
5.878,453
1,485
1,485
0
0
273,181
1,092
272,971
517,833
0
517,833
516,503
1,330
310,686
309,523
1,162
1,162
0 0
14004,952
14004,952
20192,942
59734,580
6.982,519
6.187,976
793,661
520,242
274,301
Temperatur, T (oC)
30
30
63,9
720
720
498,8
100,8
100,8
100,8
100,8
45
127,6
136,7
102,2
45
45
Tekanan, P (atm)
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
33.641,784 113.569,056
919,061
112.649,995 93.040,863
19.609,132 12.626,263
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
DIAGRAM ALIR PABRIK STIRENA DARI ETILBENZEN MELALUI PROSES DEHIDROGENASI KATALITIK MENGGUNAKAN KATALIS SHELL – 105 DENGAN KAPASITAS 80.000 TON / TAHUN
Skala : Tanpa Skala Tanggal Tanda Tangan Digambar Nama : Maggie Junialie NIM : 060405008 Diperiksa / 1.Nama : Dr. Ir. Iriany, MSi NIP : 19640613 199003 2 001 Disetujui 2.Nama : Ir. Renita Manurung, MT NIP : 19681214 199702 2 002
Universitas Sumatera Utara
